DOI: https://doi.org/10.1016/j.tust.2026.107595
تاريخ النشر: 2026-03-09
المؤلف: Simone De Feudis وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم الورقة حالة رائدة لتحويل قسم نفق موجود إلى هيكل جيولوجي طاقي أثناء إعادة التأهيل، من خلال دمج أنابيب جيولوجية حرارية داخل بطانة النفق. يتصل هذا النظام بأنابيب مبادل حراري في رصيف الطريق السريع، مما يسهل مكافحة التجلد في الشتاء وجمع الطاقة الشمسية في الصيف. يتم تفصيل المنهجية لتحديث النفق، جنبًا إلى جنب مع اختبارات الاستجابة للضغط والحرارة لضمان سلامة النظام. تشير النتائج الأولية إلى إمكانية جيولوجية حرارية تبلغ حوالي 15.0 واط/م² وتظهر موثوقية تشغيل النظام، حيث تحقق حصاد الطاقة الشمسية حوالي 60-70 كيلوواط ساعة في اليوم وتمنع الصقيع بشكل فعال مع الحفاظ على فرق درجة حرارة يبلغ حوالي 1.5 درجة مئوية مقارنة بالأقسام غير المدفأة.
تؤكد النتائج على جدوى هذا النهج في تحديث الطاقة، والذي يتطلب تعديلات بسيطة على الممارسات القياسية ولا يحتاج إلى مهارات متخصصة تتجاوز كفاءات العمال العادية. تشير التحليلات الاقتصادية إلى تكلفة موحدة للحرارة (LCOH) تتراوح بين 100-115 يورو لكل ميغاوات ساعة، مما يجعل الطاقة الجيولوجية الحرارية من التحديث تنافسية مع المصادر التقليدية مثل الغاز الطبيعي، بينما تقلل بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. تسلط الدراسة الضوء على إمكانية توسيع مثل هذه الأنظمة، مقدرة أن التنشيط الحراري للأنفاق الموجودة في إيطاليا يمكن أن ينتج 200-400 تيراوات ساعة، مما يساهم في حلول البنية التحتية المستدامة ويقدم بديلاً قابلاً للتطبيق لطرق إزالة الجليد التقليدية التي تضر بالبيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على مرونة وطول عمر الأنفاق كالهياكل الجيوتقنية الحيوية، التي غالبًا ما تتجاوز عمرها الافتراضي المصمم لأكثر من 50 عامًا. ومن الجدير بالذكر أن العديد من الأنفاق في دول مثل سويسرا والنمسا والمملكة المتحدة كانت قيد التشغيل لأكثر من قرن، حيث تحتوي الشبكات الواسعة للسكك الحديدية والطرق السريعة في إيطاليا على عدد كبير من الأنفاق القديمة، بعضها يفتقر إلى أنظمة العزل المائي الحديثة. تشكل هذه البنية التحتية القديمة مخاطر على السلامة والاستثمار، مما يدفع إلى تحويل التركيز من البناء الجديد إلى تجديد وإدارة الأنفاق الموجودة.
تقترح الورقة نهجًا جديدًا لتحديث الأنفاق الموجودة إلى هياكل جيولوجية طاقية، من خلال دمج أنظمة الطاقة الجيولوجية الحرارية لتعزيز وظيفتها. يتضمن ذلك تضمين أنابيب مبادل حراري داخل هياكل الأنفاق لتسهيل تبادل الحرارة، مما يحولها إلى أنظمة جيولوجية حرارية منخفضة الحرارة قادرة على استخراج الحرارة وحقنها موسميًا. تقدم الدراسة أول حالة لتحويل نفق موجود إلى مثل هذا النظام أثناء إعادة التأهيل، بهدف تحسين سلامة الطرق من خلال نظام جمع الطاقة الشمسية لمكافحة التجلد الجيولوجي. يتم مناقشة المنهجية لتحديث، جنبًا إلى جنب مع اختبارات الاستجابة للضغط والحرارة لضمان سلامة النظام، بالإضافة إلى النتائج من الاختبارات التشغيلية التي أجريت في الصيف والشتاء.
مناقشة
يتضمن خطة إعادة تأهيل نفق أوليمبيا، وهو نفق طريق سريع بثلاثة مسارات في شمال غرب إيطاليا، تدخلات هيكلية واسعة لمعالجة التدهور الذي تم تحديده من خلال الفحوصات واستطلاعات الجيو رادار. تم العثور على النفق، الذي تم بناؤه في السبعينيات، ليظهر عيوبًا كبيرة، بما في ذلك الفراغات الداخلية، والتآكل، وتآكل التعزيزات الفولاذية، خاصة في الأنبوب الأيمن، حيث تأثرت حوالي 50% من الجزء الداخلي. تشمل استراتيجية التجديد إعادة تأهيل هيكلية ثقيلة على مدى 750.0 متر من النفق، والتي تتضمن تركيب نظام عزل مائي واستبدال جزء من القبو الموجود بقشرة داخلية من الخرسانة المسلحة، بهدف تمديد عمر الخدمة لمدة 50 عامًا.
يتكون سير العمل لإعادة التأهيل من عدة مراحل، بما في ذلك ما قبل التثبيت، والهدم، وتركيب عناصر هيكلية جديدة، مع ضمان الحد الأدنى من الاضطراب لحالة ضغط البطانة الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تم تنفيذ نموذج بطانة نشطة حراريًا، باستخدام أنابيب PE-Xa مرتبة في نمط متعرج لتسهيل تبادل الحرارة الجيولوجية. تم تصميم هذا النظام للعمل تلقائيًا بناءً على عتبات درجة الحرارة، مما يوفر مكافحة التجلد في الشتاء وجمع الطاقة الشمسية في الصيف. تم إنشاء أنظمة مراقبة لتقييم السلوك الحراري والظروف الهوائية الحرارية، لضمان التشغيل الفعال وصيانة النظام الجيولوجي الحراري. أكدت الاختبارات الأولية للاستجابة الهيدروليكية والحرارية سلامة وفعالية النظام الجيولوجي الحراري، مما يشير إلى نهج واعد لإدارة الأنفاق المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.tust.2026.107595
Publication Date: 2026-03-09
Author(s): Simone De Feudis et al.
Primary Topic: Geothermal Energy Systems and Applications
Overview
The paper presents a pioneering case of converting an existing tunnel section into an energy geostructure during rehabilitation, integrating geothermal piping within the tunnel lining. This system connects to heat exchanger pipes in the motorway pavement, facilitating anti-icing in winter and solar energy collection in summer. The methodology for retrofitting the tunnel is detailed, alongside pressure and thermal response testing to ensure system integrity. Initial results indicate a geothermal potential of approximately 15.0 W/m² and demonstrate the system’s operational reliability, with solar energy harvesting achieving around 60-70 kWh per day and effective frost prevention maintaining a temperature differential of about 1.5°C compared to unheated sections.
The findings underscore the feasibility of this energy retrofitting approach, which requires minimal adjustments to standard practices and no specialized skills beyond typical worker competencies. The economic analysis suggests a Levelized Cost of Heat (LCOH) of 100-115 € per MWh, making geothermal energy from retrofitting competitive with conventional sources like natural gas, while also significantly reducing CO₂ emissions. The study highlights the potential for scaling such systems, estimating that thermal activation of existing tunnels in Italy could yield 200-400 TWh, contributing to sustainable infrastructure solutions and offering a viable alternative to traditional de-icing methods that harm the environment.
Introduction
The introduction of the paper highlights the resilience and longevity of tunnels as critical geotechnical structures, often exceeding their designed service life of over 50 years. Notably, many tunnels in countries like Switzerland, Austria, and the UK have been in operation for over a century, with Italy’s extensive railway and motorway networks featuring a significant number of ancient tunnels, some lacking modern waterproofing systems. This aging infrastructure poses risks to safety and investment, prompting a shift in focus from new construction to the refurbishment and management of existing tunnels.
The paper proposes a novel approach to retrofit existing tunnels into energy geostructures, integrating geothermal energy systems to enhance their functionality. This involves embedding heat exchanger pipes within tunnel structures to facilitate heat exchange, thereby transforming them into low-enthalpy geothermal systems capable of seasonal heat extraction and injection. The study presents the first instance of an existing tunnel being converted into such a system during rehabilitation, aiming to improve road safety through a geothermal anti-icing solar-collecting system. The methodology for retrofitting, along with pressure and thermal response testing to ensure system integrity, is discussed, alongside results from operational tests conducted in summer and winter.
Discussion
The rehabilitation plan for the Olimpia tunnel, a three-lane motorway tunnel in North-West Italy, involves extensive structural interventions to address deterioration identified through inspections and georadar surveys. The tunnel, originally constructed in the 1970s, has been found to exhibit significant defects, including inner voids, honeycombing, and corrosion of steel reinforcements, particularly in the right tube, where approximately 50% of the intrados is affected. The refurbishment strategy includes heavy structural rehabilitation over 750.0 m of the tunnel, which entails the installation of a waterproofing system and the replacement of part of the existing vault with a reinforced concrete intrados shell, aimed at extending the service life by 50 years.
The rehabilitation workflow consists of multiple stages, including pre-consolidation, demolition, and installation of new structural elements, while ensuring minimal disruption to the existing lining’s stress state. Additionally, a thermally activated lining prototype has been implemented, utilizing PE-Xa pipes arranged in a meandering pattern to facilitate geothermal heat exchange. This system is designed to operate automatically based on temperature thresholds, providing anti-icing in winter and solar energy collection in summer. Monitoring systems have been established to assess the thermal behavior and aerothermal conditions, ensuring effective operation and maintenance of the geothermal system. The initial hydraulic and thermal response tests have confirmed the integrity and potential effectiveness of the geothermal setup, indicating a promising approach for sustainable tunnel management.